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数字化实验室：科技创新引领教育变革

发布时间：

2025-5-6 15:53:35

在科技飞速发展的今天，教育领域也在不断迎来新的变革与创新。数字化实验室作为现代科技与教育深度融合的产物，正逐渐改变着传统实验教学的模式，为学生带来更加高效、精准、有趣的实验体验。

一、数字化实验室的定义与产生背景

数字化实验室运用实时测量、数据采集、数据分析和智能控制等先进技术，实现了中学理科实验教学与信息技术的全面整合，适合中学理科新教材，能够完成新教材要求的数字化物理、化学、生物等各学科实验。

其产生有着多方面的背景因素。国家在 2000 – 2010 年实施的课程改革，对科学教育进行了深刻反思，强调科学探究、学生科学素养、创造性思维以及问题解决能力的培养，这为数字化实验室的出现提供了政策导向。同时，“做中学” 科学以及 “科学学习与生活结合” 这两个主流科学教育观点的盛行，也使得教育界迫切需要一种能够更好实现这些理念的教学工具。此外，现代信息技术和传感技术的蓬勃发展，为数字化实验室的产生提供了坚实的技术支撑。目前，北京、天津、上海等 13 个省（市）已出台数字化探究实验室配备标准，进一步推动了数字化实验室在教育领域的普及。

二、数字化实验室的构成

数字化实验室的构成涉及多个关键环节。首先要有被测量的自然量，例如 “温度、湿度、电源、力、长度、压力” 等。这些自然量通过传感器进行转换，将其统统转变为电信号，并通过放大或缩小到合适的电压。接着，采集器会对这些电信号进行编码，使其成为可被计算机利用的数字信号。最后，通过计算机实验软件对这些数字信号进行计算和总结，从而形成最后的实验结果文档。

三、数字化实验室的主要功能特点

便捷的数据采集与传输：数据采集器与计算机之间、数据采集器与传感器之间均采用 USB 接口，四通道传感器接口并行采集，即插即用，经久耐用。这种设计极大地简化了实验设备的连接与操作过程，提高了实验效率。

多样化的显示方式：采用大尺寸液晶屏幕显示，方便观察和分析。在配备学生分组实验室时，甚至可以省去计算机。同时，可用多种形式显示实验结果，窗口可切换为数字、指针和波形等模式显示。同一传感器还可以波形 – 数字、波形 – 仪表、波形 – 波形等同步组合多模显示，大大提高了实验现象的观察效果。可同时显示接入的多种变量，也可将某一变量放大单一显示，可对任一接入的变量实现数据、表格、图像的并行或单一显示。

强大的便携性：数字化实验室采用便携式设计，方便组织开展室外探究实验教学活动。无论是在校园的花园中进行生物观察实验，还是在操场进行物理力学实验，学生都可以轻松携带设备，随时随地开展探究。

多种供电模式：具备两种供电模式，使用电池供电时，方便室外实验，摆脱了电源插座的限制，为实验教学的场地选择提供了更多灵活性。

丰富的传感器配备：拥有大量满足理、化、生学科教学需要的传感器，并且可以使用同一采集器。这意味着学生在进行不同学科的实验时，无需频繁更换采集设备，能够更加专注于实验内容本身。

人性化操作平台：提供人性化操作平台，方便探究实验学习。自动生成实验报告，方便学生编辑和提交实验报告，包括实验数据和图像等。实验数据和图像分别可以保存，自动生成实验课件，支持课件的回放。图像点对应数据点可以实现闪动，便于观察。选用多种保存形式，方便数据和图像的处理和使用，可同时保存在同一次实验过程中因改变不同实验条件而产生的多张数据表格和多个实验图象，便于比较。

软件功能强大：软件分为专用软件和通用软件。专用软件操作简捷，重点突出，直观性强；通用软件功能强大，适合探究式学习，支持教师和学生自主搭建实验，鼓励学生动手实践，支持多传感器组合实验。根据教学需要，教师还可编写新实验脚本，扩充专用实验。

数据处理与分析功能完善：数据记录方式多样，数据以自动记录、点击记录、外部调入等方式导入表格，传感器对应的变量在表格中自动生成。可将数据导入到 EXCEL 表格等软件进行其他处理，也可直接将数据保存，方便下次调用。可以在计算表格中直接新建文档，不必关闭软件。公式及变量方面，可通过运算编辑窗口将公式手动输入或从公式库输入到表格并自动生成独立的记录单元；变量可手动输入或自动生成，可输入变量和恒量；可自行编辑公式保存到模板，方便下次调用。设立多种数据拟合方式，供教学时选用。支持常规四则运算，支持对数、指数、三角函数、反三角函数等运算，并对数据进行图线描绘。可自动生成二维平面坐标系，根据实验需要可自定义 X 轴和 Y 轴变量，可在坐标系中绘出变量 – 时间、变量 – 变量等实验图像，亦可在同一坐标系内重复绘制多组实验图像以方便比较。图线处理功能丰富，图像可整体放大、缩小，也可单轴拉伸、压缩、平移，可选择单一图线进行综合处理，任何一条图线均可被锁定 – 解锁、隐藏 – 显示，实验数据可单点显示，也可图线显示，也可图线 – 单点组合显示，也可以脚标方式实时显示数据点坐标值。可对图像以 X 轴镜像显示，也可暂态显示，可调图线的线型，可整体移动图像，也可框选并直接显示框选范围在 X 轴和 Y 轴的截距。可整体复制实验界面到图像编辑器、可将实验界面直接保存为图像，可打印和保存实验数据、实验图像；在实验中，还可以调阅实验帮助资料。

四、数字化实验室的应用案例

以物理实验中的牛顿第三定律实验为例，在传统实验中，通常采用两个弹簧秤对拉看刻度基本相等来验证。而在数字化探究实验中，则采用两个力传感器对拉，通过两根 USB 线将传感器数据传入电脑，然后借助软件可以以数字和曲线的形式显示出力的大小变化曲线和数据。从呈现结果来看，数字化实验不仅能清晰地展示力的大小是相等的和对称的，还可通过软件进行曲线的拟合，让学生更直观地理解牛顿第三定律的内涵，也便于对实验数据进行深入分析。

在生物实验中，对于植物光合作用速率的研究，传统方法可能存在测量不够精准、难以实时监测等问题。而利用数字化实验室，通过传感器可以实时测量光照强度、二氧化碳浓度、温度等环境因素以及植物的氧气释放量等数据，并将这些数据实时传输到计算机进行分析。学生能够在实验过程中清晰地看到不同环境因素对光合作用速率的影响，从而更好地掌握光合作用的原理。

五、数字化实验室对教育的影响与未来展望

数字化实验室的出现，对教育产生了深远的影响。它为学生提供了更加精准、直观的实验数据，有助于学生深入理解科学知识的本质。同时，丰富的实验功能和便捷的操作方式，激发了学生的学习兴趣和探究欲望，培养了学生的实践能力和创新思维。对于教师而言，数字化实验室为教学提供了更多的手段和资源，便于教师设计多样化的教学活动，提高教学质量。

展望未来，随着科技的不断进步，数字化实验室有望在功能上进一步拓展和优化。例如，与虚拟现实（VR）、增强现实（AR）技术相结合，为学生创造更加沉浸式的实验环境；利用人工智能技术对实验数据进行更深入的分析和预测，为教学决策提供更有力的支持。相信在不久的将来，数字化实验室将在教育领域发挥更加重要的作用，推动教育事业不断向前发展。